В ответ на засухи и глобальное потепление почвы лесов будут выделять меньше углекислого газа в атмосферу

Эксперимент российских ученых, длившийся почти четверть века, показал, что глобальное потепление может по-разному влиять на интенсивность почвенного дыхания — газообмена между атмосферой и почвой. Оказалось, что ключевое влияние на этот процесс оказывает влажность: чем она выше, тем чувствительнее дыхание почвы к увеличению температуры. Засуха же приводит к тому, что доступность питательных элементов, содержащихся в органическом веществе и необходимых для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, заметно снижается. В результате этого выделение углекислого газа в атмосферу замедляется. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованной на страницах журнала Forests, помогут в разработке моделей глобального цикла углерода, который напрямую связан с парниковым эффектом — виновником глобального потепления.

Наблюдаемые сегодня в разных уголках планеты изменения климата уже давно перестали быть предметом споров: начались они не одно десятилетие назад и будут продолжаться, становясь лишь интенсивнее. Так, сейчас средняя температура на планете на 1,2°C выше, чем в доиндустриальную эпоху (150–170 лет назад) и, согласно докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), к концу этого столетия может повыситься еще на 2°C. При увеличении глобальной температуры из-за таяния ледников под угрозой затопления оказываются многие прибрежные города. Границы биогеографических зон сдвигаются, что может повредить биоразнообразию, особенно северных регионов; появится больше засушливых территорий, непригодных для жизни и сельского хозяйства.

Известно, что водяной пар и парниковые газы, одним из которых является углекислый газ (СО₂), пропускают излучение от Солнца к нашей планете, но задерживают исходящие обратно от поверхности Земли потоки тепла, создавая своеобразный эффект теплицы. Поэтому сегодня многие страны предпринимают попытки сократить выбросы углекислого газа в атмосферу за счет перехода на низкоуглеродную экономику и альтернативные источники энергии.

«Наземные экосистемы оказывают решающее влияние на природные потоки углекислого газа и его концентрацию в атмосфере. Относительное постоянство последней обеспечивается сбалансированностью поглощения углекислого газа в процессе фотосинтеза и его выделением при разложении микроорганизмами органического вещества, содержащегося в почве. И если все мы слышали выражение, что леса — легкие нашей планеты, то об этих крошечных, невидимых глазу существах, населяющих почву, мы часто забываем. А ведь они активно дышат, выделяя в процессе своей жизнедеятельности в атмосферу углекислый газ, и тем самым напрямую участвуют в круговороте углерода. Так, в результате дыхания почвенной биоты и корней растений в атмосферу выделяется почти на порядок больше углерода, чем при сжигании ископаемого топлива», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ирина Курганова, доктор биологических наук, главный научный сотрудник лаборатории почвенных циклов азота и углерода Института физико-химических и биологических проблем почвоведения Российской академии наук (Пущино).

Коллектив Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино) обобщил результаты уникального полевого эксперимента, продолжавшегося 24 года. Его целью было оценить общее дыхание почв в различные сезоны года и определить, насколько оно чувствительно к повышению температуры.

Исследования проводили в двух экосистемах южного Подмосковья — широколиственном и смешанном лесу. С декабря 1997 по ноябрь 2021 года ученые еженедельно и непрерывно — и летом, и зимой — измеряли на одних и тех же участках количество углекислого газа, который выделяется при дыхании почвенных микроорганизмов и корней растений. Для этого на поверхность земли устанавливали герметично закрытые камеры, в которых во время измерения накапливался СО₂. Через равные промежутки времени из камер отбирали газовые пробы и затем в лаборатории определяли в них концентрацию углекислого газа и путем несложных вычислений рассчитывали интенсивность дыхания почвы. То, во сколько раз изменится этот показатель при увеличении температуры почвы или воздуха на десять градусов, называют температурной чувствительностью. Для объяснения данных, полученных за 24 года наблюдений, необходимо знать основные метеорологические показатели (температуру воздуха, количество осадков и индексы увлажнения), а также температуру и влажность верхнего слоя почвы.

Наблюдения позволили выяснить, что температурная чувствительность почвенного дыхания сильно зависит от индексов увлажненности во время периода вегетации растений — времени, когда они активно растут и развиваются. Так, авторы показали, что в засушливые годы скорость выделения углекислого газа из почв с ростом температуры увеличивается слабее, чем в годы с нормальным или повышенным увлажнением. При этом микроорганизмы, живущие в супесчаных почвах с низкой водоудерживающей способностью, в засушливые годы оказались гораздо менее чувствительными к увеличению температуры, чем обитатели суглинистых почв. Это означает, что они более экономно расходовали органический углерод в своей среде обитания. Суглинистые почвы, способные даже в самые засушливые годы сохранять запасы влаги, в условиях засухи обеспечивали почвенные микроорганизмы необходимой водой и растворенными в ней питательными веществами. В результате температурная чувствительность дыхания суглинистых почв не столь сильно зависела от условий увлажнения.

«Таким образом, мы показали, что именно влагообеспеченность почв в вегетационный период является основным фактором, контролирующим зависимость почвенного дыхания от температуры в лесных экосистемах. При современной тенденции усиления засушливости климата во многих регионах России и мира можно прогнозировать, что снизится поток углекислого газа из почв в атмосферу и, следовательно, сток углерода в бореальные (то есть северные) и умеренные лесные экосистемы увеличится», — подводит итог Ирина Курганова.

Полученные авторами закономерности позволят улучшить качество моделей биогеохимического цикла углерода, обосновать способы снижения естественных потоков углерода из почв и грамотно планировать эколого-климатические проекты в рамках снижения углеродного следа.

Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда